極紫外多層膜技術(shù)研究進展

張立超

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室,吉林長春 130033)

1 引 言

極紫外 (Extreme Ultraviolet)是處于真空紫外與軟 X射線之間,波長在幾納米至幾十納米的一個特殊波段。在過去相當長的一段時間內(nèi),這一波段的研究相對滯后,甚至一度曾被人們稱為“Unobservable Ultraviolet”,這是由極紫外波段輻射的自身特點所決定的。在這一波段內(nèi)存在著大量的原子共振線,因此入射光會在很短的距離內(nèi)被吸收,典型的吸收長度僅在納米量級。這種材料的強吸收特性,使得在極紫外波段不可能采用透射式光學元件。不僅如此,極紫外輻射還具有另一個特性,即所有材料的折射率實部都非常接近于 1,因此對單個界面來說,兩種材料的折射率基本不存在差異,能夠獲得的反射率極小,通常小于 10-3量級,無法實現(xiàn)正入射的反射式光學元件[1]。

極紫外輻射特性嚴重制約了極紫外光學的發(fā)展。仿照 X射線波段,利用入射角小于臨界角時產(chǎn)生的全反射現(xiàn)象,實現(xiàn)掠入射光學系統(tǒng),曾一度成為極紫外波段光學應用的唯一選擇。然而,由于掠入射光學系統(tǒng)的收集立體角很小,難以高效地收集空間觀測中希望獲得的微弱極紫外輻射信號。

研究發(fā)現(xiàn)極紫外多層膜可很好地解決這一問題。在這種結(jié)構(gòu)中,利用多個界面反射光產(chǎn)生的相長干涉,可以在正入射條件下獲得高反射率[2]。目前,基于極紫外多層膜的反射式光學元件,已經(jīng)進入了以極紫外光刻與極紫外天文觀測為核心的實用化階段。

2 極紫外多層膜的發(fā)展

將多層膜應用于極紫外波段的思想源于上世紀 20年代。當時,X射線剛剛被發(fā)現(xiàn),就有人提出采用人工方法仿照晶體結(jié)構(gòu),制備周期厚度為納米量級的多層膜結(jié)構(gòu),其中高折射率 (吸收層)材料模擬晶體中的原子層,低折射率材料 (間隔層)模擬原子層的間隙,以這種人造周期結(jié)構(gòu)實現(xiàn)布拉格衍射,從而在極紫外/軟 X射線波段獲得高反射率。這種想法在 40年代初被付諸實施:Dumond[3]等人采用熱蒸發(fā)方法制備了 Au/Cu多層膜,并觀察到了 X射線衍射現(xiàn)象,但由于兩種材料之間存在嚴重擴散,周期結(jié)構(gòu)很快消失,這一問題一直到 70年代以后才得到解決。Spiller于1972最先提出[4],可以像可見光波段一樣,采用λ/4波堆結(jié)構(gòu)的周期型多層膜實現(xiàn)極紫外波段的高反射率,并用電子束蒸發(fā)方法制備出極紫外多層膜。隨后,Barbee也發(fā)展了磁控濺射沉積多層膜的方法[5]。這兩種方法一直被沿用至今,成為了極紫外多層膜制備的兩種常規(guī)方法。

在這之后,極紫外多層膜的研究進入了全面發(fā)展的時期,人們開展了一系列理論 (光學常數(shù)反演、膜系設計等)、制備方法 (電子束蒸發(fā)、磁控濺射、離子束濺射等)與薄膜性能測試技術(shù) (光學性能、表面與界面表征等)的廣泛研究,為多層膜技術(shù)的全面發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。膜厚控制精度達到原子量級的多層膜沉積設備的出現(xiàn),是這一時期的突破性進展[6]。人們可以在大口徑、非球面光學基底上,實現(xiàn)反射率接近于理論極限的高性能多層膜。

多年的積累,孕育出了一批高水平的研究機構(gòu),如美國的 Lawrence Livermore國家實驗室、荷蘭的 FOM-Rijnhuizen研究所、德國 Fraunhofer下屬的兩個研究所— IOF與 IWS、日本的Nikon公司等。這些機構(gòu)或從產(chǎn)業(yè)應用,或從基礎(chǔ)研究的角度出發(fā),在多層膜技術(shù)領(lǐng)域開展了深入的工作,使極紫外光學技術(shù)逐步走向了成熟階段。鍍膜工藝與設備的日臻完善,使人們能夠針對 500～600 mm的大口徑光學元件,在嚴格保障光學元件面形精度的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)接近理論極限的反射率水平[7]。國內(nèi)自 90年代中期起,也在此領(lǐng)域系統(tǒng)地開展了研究,并在中科院長春光機所、中科院上海光機所以及同濟大學等單位的努力下取得了長足的進展[8～18]。表1列出了目前在極紫外波段,針對不同應用波長的最佳多層膜材料組合及其反射率理論極限值。

目前,極紫外波段的光學應用已從實驗室研究階段全面進入了以極紫外光刻與極紫外天文學為主的實用化階段。

表1 極紫外波段最佳多層膜材料組合及其反射率Tab.1 The bestmater ial comb inations and reflectivities of EUV multilayer coatings

3 極紫外多層膜的關(guān)鍵技術(shù)

多層膜光學元件主要的應用有兩種,即極紫外光刻與極紫外天文觀測。二者對多層膜光學元件的性能要求具有不同的測重點:其中極紫外光刻系統(tǒng)要求鍍膜過程具有更高的光學元件面形保障;而天文觀測則更傾向于高的光譜分辨率。

除這些特殊要求外,在大口徑光學基底上實現(xiàn)高反射率,是所有極紫外多層膜必須滿足的共性要求。這需要通過高性能的沉積設備與合適的薄膜沉積工藝來保證。

3.1 制備方法的選擇與沉積工藝設備

目前用于極紫外光刻系統(tǒng)多層膜制備的沉積方法主要有 3種。

(1)磁控濺射。磁控濺射是最常用的極紫外多層膜制備方法,該方法具有如下優(yōu)勢:首先,在濺射沉積過程中,濺射功率、工作氣壓等參數(shù)非常穩(wěn)定,因此鍍膜材料具有恒定的沉積速率,僅通過設定合適的沉積時間,就可實現(xiàn)納米級膜厚的精確控制;其次,在磁控濺射裝置中,通過控制鍍膜基底的公轉(zhuǎn)速度曲線,可以實現(xiàn)高精度的膜厚空間分布控制;此外,磁控濺射沉積工藝過程復雜程度不高,設備維護也相對較容易。由于具有上述優(yōu)點,磁控濺射成為了極紫外波段多層膜制備的主要方法。各研究機構(gòu)與企業(yè)都開發(fā)出了極紫外多層膜制備的專用磁控濺射沉積設備。如 Fraunhofer- IOF研究所采用的是 Leybold公司開發(fā)的NESSY(New EUV Sputter System),它能夠鍍制的最大反射鏡尺寸為Φ650 mm,也可在一次鍍膜過程中同時鍍制兩塊Φ450 mm或三塊Φ300 mm的反射鏡[19];Veeco公司為 Lawrence Liver more實驗室定制了一臺最大鍍膜口徑為Φ470 mm的磁控濺射沉積設備[20];Nikon也自行研制了類似的設備,其最大鍍膜口徑為Φ600 mm[21,22]。

(2)電子束蒸發(fā)。采用電子束蒸發(fā)方法制備高性能的極紫外多層膜,必須采用離子束拋光和X射線膜厚監(jiān)控兩種輔助技術(shù),這是由兩方面的原因決定的。一方面,在電子束蒸發(fā)沉積過程中,沉積粒子動能較小,通常僅在 0.1 eV量級,因此遷移率較低,在薄膜沉積的過程中會導致粗糙度的積累,致使多層膜的反射率下降,所以必須采用離子束拋光方法降低多層膜的粗糙度[2]。另一方面,在電子束蒸發(fā)沉積過程中,沉積速率不穩(wěn)定,必須采用光學監(jiān)控方法進行膜厚控制,而對于極紫外多層膜這種單層膜厚僅為幾納米的超薄膜層來說,只能采用波長較短的 X射線進行膜厚監(jiān)控。由于設備和工藝過程較為復雜,能夠采用電子束蒸發(fā)方法制備出高質(zhì)量極紫外多層膜的研究機構(gòu)較少,僅有 FOM-Rijnhuizen研究所等寥寥數(shù)家。目前僅有的極紫外多層膜專用熱蒸發(fā)鍍膜機是Leybold公司為 Zeiss公司的極紫外光刻項目開發(fā)的沉積設備。

(3)離子束濺射。離子束濺射方法具有與磁控濺射方法相類似的優(yōu)點,即沉積速率較為穩(wěn)定,因此容易實現(xiàn)精確的膜厚控制。離子束濺射的不足之處也同樣明顯,即制備大口徑的離子源比較困難,因此離子束濺射僅適用于中小尺寸光學元件的多層膜沉積。另外,離子束沉積方法所制備的多層膜反射率要稍低于磁控濺射與電子束蒸發(fā)方法。然而,離子束沉積具有一個另外兩種方法所不具有的優(yōu)勢,即離子束濺射方法制備出的多層膜具有更少的缺陷。因此,離子束濺射被認為是極紫外光刻中多層膜掩模白板制備的最佳方法。由 Lawrence Liver more實驗室和 Veeco公司合作開發(fā)的NEXUS-LDD- IBD離子束沉積系統(tǒng)是用于多層膜掩模白板制備的專用設備[23]。

3.2 高反射率多層膜的制備

在極紫外波段,材料的吸收非常強烈,不可能實現(xiàn) 100%的反射率。多層膜開發(fā)的目標就是實現(xiàn)盡量高的反射率,其標準的做法是:首先通過測試確定不同材料的薄膜在工作波長處的光學常數(shù);然后采用這些光學常數(shù)進行膜系設計,以在工作波長處獲得最高反射率為標準,并綜合考慮材料的物理與化學性質(zhì),選取最佳的材料組合與膜系結(jié)構(gòu);最后采取合適的制備方法,優(yōu)化薄膜沉積工藝,盡可能地使實際制備出的反射率符合理論設計結(jié)果。

目前,由于一些現(xiàn)實條件的限制,實際制備出的多層膜反射率尚無法達到理論設計值,產(chǎn)生這種情況的原因如下:

(1)在多層膜內(nèi)存在膜層間的擴散。以Mo/Si多層膜為例,其中 Mo-on-Si和 Si-on-Mo的擴散層厚度分別為 1 nm和 0.6 nm左右,在周期厚度僅為 7 nm的 Mo/Si多層膜中占有很大的比例[24]。膜層間擴散的存在,使兩種材料界面的光學襯度下降,從而降低了多層膜的反射率。

(2)隨著波長進入到極紫外波段,由高頻粗糙度引起的非鏡面散射也是引起反射率下降的重要因素。多層膜在極紫外波段的散射由基底粗糙度與薄膜沉積參數(shù)共同決定[25,26]。

(3)實際制備出的多層膜與理想的設計膜系結(jié)構(gòu)具有一定的偏差。比如在多層膜設計時,通常采用數(shù)據(jù)庫中的光學常數(shù)[27],這與實際制備出的薄膜光學常數(shù)可能會存在一定的差別;又如在多層膜制備時,由于種種不確定因素的影響,每一膜層的厚度與其設計值相比也常常存在一定的隨機誤差[28]。凡此種種,都是能夠降低多層膜反射率的因素。

由于上述原因,目前多層膜能夠?qū)嶋H獲得的反射率水平與其相應的理論極限值相比都存在一定的差距。以 Mo/Si多層膜為例,其在 13.5 nm處的反射率理論極限值為 74%,而經(jīng)過多年的艱苦努力,目前能夠?qū)崿F(xiàn)的最高水平為 70.15%[29]。

為使實際制備出的多層膜反射率接近理論設計值,必須解決上述技術(shù)問題:

首先需要采取合適的手段,降低膜層間的擴散,這可以通過采用超薄阻擋層的方法來實現(xiàn)[30,31]。在每兩個相鄰膜層間增鍍一層厚度為零點幾個納米的阻擋層,其材料為惰性物質(zhì),如B4C或 C等,這些惰性阻擋層材料不會與膜層材料發(fā)生反應,因此能夠有效減小膜層間的擴散,實現(xiàn)提高反射率的目的。

其次,應采取措施降低由粗糙度引起的散射。通過優(yōu)化多層膜沉積工藝,使膜層具有盡量小的內(nèi)稟粗糙度,從而使基底的粗糙度在沉積過程中不會被接下來的膜層所繼承,有效降低粗糙度,進而減小非鏡面散射[32]。

最后,從兩方面控制實際制備的多層膜與理想膜系設計結(jié)果所出現(xiàn)的偏差:一方面是發(fā)展高精度的光學常數(shù)提取方法,減小理論設計與實際制備膜系之間的差異;另一方面是從沉積設備的性能入手,對鍍膜機的設計進行改進,提高多層膜沉積過程中工藝參數(shù)的穩(wěn)定性,降低膜厚隨機誤差等不確定因素對膜系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

4 極紫外光刻系統(tǒng)中的多層膜研究

在各種極紫外光學技術(shù)中,極紫外光刻系統(tǒng)對多層膜要求最為苛刻。如何滿足這些苛刻的要求,一直是研究多層膜制備技術(shù)所追尋的目標。

4.1 極紫外光刻系統(tǒng)對多層膜的性能要求

圖1顯示了一個典型的極紫外光刻系統(tǒng),其主要由如下幾部分構(gòu)成[33]:

(1)光源。極紫外光刻所采用的大功率激光等離子體光源或放電等離子體光源通常具有較高的工作溫度,這意味著多層膜聚光鏡必須具有非常好的熱穩(wěn)定性。

(2)照明系統(tǒng)。從光源發(fā)出的光經(jīng)聚光后,需要經(jīng)過照明系統(tǒng)的勻光,以實現(xiàn)整個視場范圍內(nèi)的均勻照明。

圖1 極紫外光刻系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of EUVL system

(3)反射式掩模。極紫外光刻掩模為反射式掩模,掩模圖形必須在鍍有多層膜的掩模白板上制作。

(4)微縮投影物鏡。投影物鏡是極紫外光刻系統(tǒng)的核心部分,其制造水平直接決定光刻成像質(zhì)量。為確保像質(zhì),必須嚴格控制由鍍膜引起的面形變化。

極紫外光刻系統(tǒng)的多層膜需要滿足如下要求[34]:

(1)高反射率。包括聚光鏡、照明系統(tǒng)、掩模與投影物鏡在內(nèi)的整個系統(tǒng)由 10個以上的多層膜反射鏡構(gòu)成,即使是每一個反射面的反射率有1%的降低,也足以使系統(tǒng)的總光通量大幅度下降。因此,多層膜必須盡量實現(xiàn)接近理論極限的反射率。

(2)反射率峰值波長匹配。多層膜的反射帶寬極窄 (應用于 13.5 nm的Mo/Si多層膜,其帶寬FWHM值僅為～0.6 nm),即使每塊反射鏡的反射率峰值稍有偏離,也足以使系統(tǒng)的光通量嚴重下降。為保證系統(tǒng)具有較高的光通量,不同反射鏡的反射率峰值波長須嚴格匹配。匹配誤差需控制在Δ λ＜ ±0.05 nm之內(nèi)。

(3)面形保障。極紫外光刻是挑戰(zhàn)目前光學制造技術(shù)極限水平的應用,其應用波長僅為13.5 nm。為保證系統(tǒng)的成像質(zhì)量,系統(tǒng)中光學元件面形精度需要達到深亞納米量級。具體分配到鍍膜過程,要求由鍍膜引起的面形誤差變化控制在 0.1 nm(RMS)以內(nèi)。

(4)熱穩(wěn)定性。極紫外光刻系統(tǒng)中的部分光學元件,如光源中的聚光鏡,需要工作在高溫環(huán)境下。為滿足這種需要,多層膜必須具有較好的熱穩(wěn)定性,即能夠在高溫環(huán)境下,保證反射率曲線在長時間內(nèi)不會發(fā)生變化。

4.2 多層膜反射率峰值波長匹配的實現(xiàn)

極紫外光刻系統(tǒng)包含 10個以上的多層膜反射鏡。為使系統(tǒng)具有盡量大的光通量,每一塊反射鏡的峰值波長需要與工作波長嚴格匹配。目前對于多層膜的峰值波長匹配問題,通行的標準是誤差極限為 ±0.05 nm,即多層膜反射率峰值波長需控制在 (13.5±0.05)nm。實現(xiàn)這一標準,意味著每一塊多層膜在 13.5 nm處實際獲得的反射率超過其峰值反射率的 99%,從而不至于使系統(tǒng)的光通量產(chǎn)生較大的損失[34]。

多層膜峰值波長的匹配誤差屬于隨機誤差,其大小具有一定的概率分布,具體的分布函數(shù)由鍍膜機的穩(wěn)定性決定:鍍膜機的穩(wěn)定性越好,匹配誤差就越小,反之亦然。為實現(xiàn)匹配誤差指標,必須從提高鍍膜機的穩(wěn)定性入手,這一般通過兩方面的措施來實現(xiàn):(1)在硬件上采取各種閉環(huán)控制,以提高沉積速率等各種工藝參數(shù)的控制精度;(2)盡量將沉積工藝設備設計得大一些,使一次鍍膜過程內(nèi)能夠加工盡可能多的反射鏡。

Lawrence Liver more實驗室的研究結(jié)果顯示了這一技術(shù)路線的可行性。在第一階段,對鍍膜機的匹配誤差進行了評估,結(jié)果顯示,不同樣品的峰值波長標準偏差為 0.032 nm(1σ);第二階段,充分考慮了對薄膜沉積速率影響最大的因素,如工作氣氛、濺射功率、靶與基片的距離等,對鍍膜機進行了改進,通過對這些因素的嚴格控制,使峰值波長的標準偏差減小到了 0.017 nm(1σ);在第三階段的研究中,開發(fā)出了新的工藝設備,該設備在一次鍍膜過程中就能夠完成 4塊反射鏡的鍍膜,進一步使標準偏差降低到了 0.01 nm(1σ),因而使最終的光通量達到了理論極限水平的99.3%,實現(xiàn)了多層膜反射率的峰值匹配[35]。

4.3 鍍膜過程中的面形保障

在鍍膜過程中,影響光學元件面形精度的因素主要有兩種,即膜厚空間分布控制精度與薄膜應力。

對于極紫外光刻,精確實現(xiàn)膜厚空間分布控制的難度顯而易見。根據(jù)光學設計結(jié)果,光線在每一塊反射鏡表面上不同點具有不同的入射角,因此多層膜必須根據(jù)這些入射角調(diào)整成周期厚度沿徑向呈梯度分布而非均勻分布的形狀;多層膜需要鍍制在非球面的反射鏡基底上,且部分基底的口徑較大。這些因素都增加了膜厚控制的難度。多層膜的膜厚空間分布可以通過采用修正擋板或轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)速度調(diào)制實現(xiàn)。前者適用于電子束蒸發(fā)方法,后者應用于磁控濺射方法中。

圖2顯示了典型的磁控濺射沉積過程[20]。長方形的磁控濺射靶固定,基片既可以隨底盤公轉(zhuǎn),也能夠以自身的回轉(zhuǎn)對稱中心為原點進行自轉(zhuǎn)。當自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速足夠高時,距自轉(zhuǎn)中心距離相同的各點獲得相同的沉積速率,將膜厚控制轉(zhuǎn)化成了如何控制膜厚徑向分布的一維問題。這一問題可以通過調(diào)整基片的公轉(zhuǎn)速度曲線實現(xiàn)。

圖2 磁控濺射沉積示意圖Fig.2 Diagram ofmagnetron sputter deposition

如圖3所示,轉(zhuǎn)盤速度調(diào)制方法通過設置合適的公轉(zhuǎn)速度曲線,使基片沿徑向不同位置處的實際沉積時間得到修正,從而能夠獲得精確的膜厚徑向分布。理論上,公轉(zhuǎn)速度曲線分段區(qū)間越多,就越有可能實現(xiàn)高精度的膜厚分布控制。Lawrence Livermore實驗室采用這一方法進行極紫外光刻實驗裝置—MET的多層膜制備,成功地將鍍膜引起的面形誤差控制為 0.06nm(RMS)[36]。

圖3 轉(zhuǎn)盤調(diào)速示意圖Fig.3 Diagram of platter velocity modulation

多層膜的應力是另外一個制約光學元件面形精度的重要因素。常規(guī)的高反射率極紫外多層膜由幾十個重復的膜層對構(gòu)成,每個膜層對具有數(shù)百兆帕的殘余應力,累積起來足以嚴重降低光學元件的面形精度。只有實現(xiàn)“零”應力狀態(tài),才能消除由應力造成的光學元件面形誤差,確保系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

在早期的研究中,人們曾經(jīng)嘗試過改變工作氣氛,改變 Mo與 Si膜層的厚度比例,采用 Kr作為工作氣體代替 Ar退火處理等方法[37～39]來降低應力,但這些方法雖然能夠有效減小應力,有時甚至可能實現(xiàn)“零應力”,但無一例外地會降低反射率。

最近,一種雙堆棧的方法被廣泛應用于極紫外多層膜的應力控制[40,41]。這種方法需要在鍍正式的Mo/Si高反射率多層膜之前預先鍍制另一個Mo/Si堆棧作為應力補償堆棧,其 Mo,Si厚度比例值與正常Mo/Si高反射率多層膜不同。當應力補償堆棧的厚度比例值選擇合適時,兩個堆棧能夠具有大小相等、狀態(tài)相反的應力,使兩個堆棧的應力相互抵消,從而實現(xiàn)“零應力”。由于極紫外輻射穿透深度較淺,無法穿透到下面的應力補償堆棧,因此整個膜系的反射率不會受應力補償堆棧的影響,僅由靠近空氣一側(cè)的Mo/Si高反射率多層膜堆棧結(jié)構(gòu)決定。

采用應力補償堆棧的做法能夠完全消除應力對基底面形產(chǎn)生的影響,但也有不利之處。因為在正常多層膜沉積之前額外鍍制了一個用于應力補償?shù)亩鄬幽ざ褩?從膜厚空間分布控制角度考慮,等于增加了一個不確定的因素。因此,如何在膜厚空間分布的精確控制和消除多層膜應力之間取得平衡,是未來極紫外光刻系統(tǒng)光學元件面形保障需要解決的關(guān)鍵問題。

4.4 多層膜熱穩(wěn)定性的提高

多層膜的熱穩(wěn)定性取決于它們的理化性質(zhì)。從實質(zhì)上來看,多層膜是一種人造的亞穩(wěn)態(tài)周期結(jié)構(gòu)。在常溫下兩種材料雖然可以存在穩(wěn)定的界面,但當溫度升高時,膜層內(nèi)原子被激活的概率極大增加,兩種材料之間開始相互擴散,并趨于形成更為穩(wěn)定的合金態(tài),進而導致多層膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,造成光學性能的下降。

不同材料對所組成的多層膜系具有不同的擴散系數(shù)。因此,提高多層膜熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于如何尋找合適的材料組合,這些組合需要在能夠?qū)崿F(xiàn)高反射率的前提下具有盡量小的擴散系數(shù)。選取合適的材料組合有兩種方法,即材料置換法和添加亞層法[42]。

(1)材料置換法:在組成多層膜的兩種材料中,將其中的一種替換成其它材料,構(gòu)成新的膜系 ,如 Mo2C/Si、MoSi2/Si、Mo/SiC等。用這種方法提高熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于材料中的 3種元素在擴散初期發(fā)生反應形成了三元合金,成為阻擋層,能夠阻止膜層的進一步擴散。Mo2C/Si和 Mo/SiC在 13 nm附近的反射率分別可以達到 60%和55%,均能夠在 500℃的高溫下,在一定時間內(nèi)保持周期性基本不變[43,44]。Mo/SiC組合能夠在500℃的條件下經(jīng)歷 100 h的退火過程后,仍然保持大于 45%的反射率,但其反射率中心會產(chǎn)生0.4 nm的漂移。MoSi2/Si的組合則在高溫下表現(xiàn)出另外一種特征:其在 13 nm附近最高反射率僅為 40%,但這種材料組合能夠在較高溫度下長時間地保持穩(wěn)定的光學性能,比如當退火溫度為500℃時,除在退火初期的 1 h內(nèi)多層膜的周期膜厚度存在微小突變外,在接下來 100 h的退火過程內(nèi),多層膜反射率曲線無任何變化。

(2)添加亞層法:在常規(guī)膜層對之間添加厚度僅為零點幾個納米的極薄惰性亞層,形成如Mo/C/Si/C的結(jié)構(gòu)。通過這種亞層的阻隔,能夠降低多層膜的整體擴散系數(shù),從而提高其熱穩(wěn)定性。Yulin等人[45]報道了一種新型的亞層材料,由這種材料組成的Mo/X/Si/X膜系,不僅具有高達 60%的反射率,而且能夠在 500℃的環(huán)境下,在 100 h的退火過程內(nèi),反射率曲線沒有任何變化,可以滿足聚光鏡的實際應用要求。

5 極紫外天文觀測中的多層膜光學元件

5.1 極紫外天文望遠鏡中的多層膜

在多層膜出現(xiàn)之前,極紫外天文學的發(fā)展一直受限于光學元件種類的匱乏。仿照 X射線波段,利用入射角小于臨界角時產(chǎn)生的全反射現(xiàn)象實現(xiàn)掠入射光學系統(tǒng),一度成為了極紫外天文觀測儀器的唯一選擇。然而這并不是一個理想的選擇,其原因在于掠入射光學系統(tǒng)的收集立體角很小,難以高效地收集空間觀測中希望獲得的微弱極紫外輻射信號。

因此,自從成功制備出多層膜以來,人們一直在積極尋求用其實現(xiàn)正入射光學系統(tǒng)的可能性。1985年,首個采用多層膜反射鏡的正入射太陽望遠鏡被成功應用于日冕 4.4 nm輻射的觀測,標志著極紫外天文學進入了一個新的時代。在這之后,人們開發(fā)了眾多的多層膜望遠鏡,如TRACE[46]、SOHO[47]以及 SDO[48]等。這些正入射望遠鏡通常具有 10～30 cm2的集光面積,滿足了極紫外波段微弱信號探測的需要。

從多層膜實際制備的角度來看,極紫外望遠鏡面臨與極紫外光刻相同的問題,即如何在非球面基底上實現(xiàn)所需要的膜厚空間分布。在兩種應用中,極紫外望遠鏡所采用的反射鏡口徑較小,因此其膜厚空間分布相對容易控制。前面所介紹的為極紫外光刻應用而開發(fā)的專用設備,均能夠很好地滿足極紫外望遠鏡所需多層膜的制備。

由于極紫外多層膜的帶寬較為有限,例如在10～30 nm的工作波長內(nèi),通常只有 0.5～2 nm(FWHM)的帶寬,無法滿足寬波長光譜范圍觀測的需求。因此,極紫外望遠鏡最初只能工作于單一的波段。針對這一問題,在后繼的應用中對鍍膜工藝進行了改進,即將反射鏡分區(qū),每一區(qū)針對不同的波長通道鍍膜。多層膜開發(fā)的最主要任務就是針對這些波段,選擇合適的材料組合與膜系結(jié)構(gòu),實現(xiàn)盡量高的反射率[49]。

基于多層膜的正入射極紫外望遠鏡以其優(yōu)異的性能,極大地滿足了天文觀測的需要。如 2010年 2月發(fā)射的 SDO上所搭載的 A IA(A tmospheric ImagingAssembly),其分為 4個通道,每一通道采用不同的多層膜材料組合,針對不同的工作波長,4個通道覆蓋了 9.39～33.54 nm的光譜范圍,能夠以 1″的空間分辨率,針對 1.3倍的太陽直徑的范圍,每 10 s成像 1次,完成對 4個波段的同時成像。

由多層膜構(gòu)成的望遠鏡存在的不足之處是其光譜分辨率較低,這是基于布拉格反射的光學元件所固有的缺點。為實現(xiàn)更高的光譜分辨率,必須采用具有色散能力的多層膜光柵結(jié)構(gòu)。

5.2 高分辨率天文觀測中采用的多層膜光柵

對于光譜儀器來說,光譜分辨率是最重要的性能指標。按這一標準衡量,常規(guī)的極紫外天文望遠鏡具有天然的劣勢,其原因在于多層膜并不具有色散能力,所能夠提供的光譜分辨率極其有限,λ/Δ λ比值通常不超過 100。這對于充滿了各種譜線、相互間波長間隔極小的極紫外波段,顯然是遠遠不夠的。為獲得足夠的光譜分辨率,新型的極紫外光譜儀開始廣泛采用多層膜光柵作為分光元件。

多層膜光柵是將多層膜鍍制在刻有光柵槽型的基底上構(gòu)成的復合式光學元件,其中多層膜結(jié)構(gòu)保證高反射率,光柵結(jié)構(gòu)提供高分辨率,這種結(jié)構(gòu)在正入射條件下兼具高衍射效率與高光譜分辨率的優(yōu)點。自從 1984年首次被成功制備出后[50],多層膜光柵得到了廣泛的應用。如自 1989年開始發(fā)射的 SERTS(The Solar Extreme Ultraviolet Research Telescope and Spectrograph)系列 ,從1991年第二次發(fā)射起就采用多層膜光柵來提高光譜分辨率[51];又如 2006年在日本發(fā)射的用于研究太陽活動的航天器 Hinode(Solar-B),其最重要的載荷之一也是以多層膜光柵為核心的成像光譜儀EIS(Extreme Ultraviolet Imaging Spectrometer)[52]。

這些基于多層膜光柵的光譜儀具有極高的光譜分辨率,如 JPEX中采用 4塊鍍有 Mo/Si多層膜的多層膜閃耀光柵,在 22～24.5 nm的平均衍射效率達到了約 10%,實現(xiàn)了近 4 000的光譜分辨率,是常規(guī)極紫外光譜儀 EUVE的 20倍[53,54]。由于能夠在光譜維度上提供更加豐富的信息,以多層膜光柵為核心的光譜儀器已經(jīng)成為極紫外波段天文觀測中新的熱點。

高性能的多層膜光柵是實現(xiàn)此類光譜儀器的前提條件,其制備涉及高質(zhì)量光柵基底的制作、光柵參數(shù)的精確提取、適用于光柵基底的多層膜沉積、多層膜光柵衍射特性分析等單元技術(shù),需要多學科的協(xié)同攻關(guān)才能夠?qū)崿F(xiàn)。國外的研究從 20世紀 90年代起,就以美國海軍實驗室為主,聯(lián)合Lawerence Live rmore實驗室、Zeiss公司等,持續(xù)地開展了實用型多層膜光柵制備技術(shù)的研究。經(jīng)過多年的積累,其大面積多層膜光柵的制備技術(shù)日趨成熟,滿足了包括 SERTS、EIS、JPEX[54]與APEX[55]等一大批極紫外波段光譜儀的實際應用需求。

雖然多層膜光柵已經(jīng)進入實用化階段,但在實際的制備與應用過程中,仍然有一些亟待解決的問題,人們已針對這些問題進行了深入的研究:

(1)高質(zhì)量光柵基底的制備。目前,全息 -離子束刻蝕方法是閃耀光柵基底制備的常規(guī)方法。該方法具有槽型好、閃耀角控制較精確、粗糙度低等優(yōu)點,適合于高質(zhì)量光柵基底的制備。然而,這種方法具有一個不利之處,即當制作應用波長在十幾納米的小閃耀角 (＜3°)光柵時,光柵閃耀面就會變得彎曲,使衍射效率大幅度降低[56,57]。為解決這一問題,Osterried等人[58]發(fā)展了浸漬涂覆 (Dip-coating)修改光柵閃耀角的方法,即先采用離子束刻蝕出一塊槽型良好的大閃耀角光柵 (7～11°),然后將其浸入特殊溶液后緩慢提拉出來。通過控制溶液濃度、提拉速度等參數(shù),可以控制閃耀角。這種方法工藝難度較大,對加工人員的經(jīng)驗要求高,不適于大規(guī)模地采用。鑒于此,林慧等人[59]發(fā)展了一種新方法,通過Ar+與O2+混合離子束掠入射反應刻蝕的方法,直接在矩形掩模上刻蝕出小閃耀角的閃耀光柵,其閃耀角大小可以通過改變Ar+/O2+的比例實現(xiàn)精確控制。這種方法不需額外條件或加工過程,采用常規(guī)的離子束刻蝕設備即可一次實現(xiàn),且工藝過程易于精確控制。采用該方法,已經(jīng)制備出在13.62 nm處衍射效率 (-2級)為 36.2%的多層膜閃耀光柵[60]。這一結(jié)果不僅較 Dip-coating法制備出的 29.9%(工作波長 15.79 nm)[61]有較大提升,而且已經(jīng)基本實現(xiàn)了目前制備技術(shù)所能達到的極限水平。

(2)多層膜光柵的可用光譜帶寬受限。這一問題的產(chǎn)生根源于多層膜與光柵兩種結(jié)構(gòu)帶寬的不匹配:多層膜的反射率帶寬通常較窄 (FWHM值通常小于 1 nm),而光柵的溝槽衍射效率卻具有較寬的帶寬 (FWHM帶寬大于幾納米)。在這種情況下,多層膜的帶寬就自然成為了多層膜光柵可用光譜帶寬的瓶頸。以往的多層膜光柵只有兩個選擇:或者只能應用于一個較窄的波段,或者將光柵基底分為幾部分,在每一部分鍍不同應用波長的多層膜[52]。但采用這樣的做法會極大降低多層膜的可用面積,同時在一塊光柵基底上進行多次沉積也會增加不確定因素。張立超等人[62]采用一種新方法解決了這一問題。該方法采用非周期型的多層膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的周期型多層膜。非周期膜系經(jīng)過優(yōu)化設計,可以在較寬的范圍內(nèi)具有高反射率,從而使多層膜反射率帶寬與光柵的溝槽衍射效率很好地匹配,實現(xiàn)寬波長范圍的高衍射效率。實際制備出的多層膜光柵在13～16 nm實現(xiàn)了約 10%的衍射效率。

從上述情況可見,多層膜光柵制備技術(shù)的發(fā)展,使得多層膜光柵的實用性得到了不斷提高,這將在未來更好地滿足高分辨率極紫外天文觀測的需求。

6 結(jié)束語

多層膜是實現(xiàn)極紫外波段光學技術(shù)的基本光學元件。本文介紹了多層膜在極紫外光學技術(shù)中的應用及其發(fā)展情況。分析了多層膜技術(shù)中的關(guān)鍵問題,針對其在極紫外光刻與極紫外天文觀測中的應用,闡述了實現(xiàn)多層膜光學元件所需滿足的要求及其實現(xiàn)途徑。無論對成像光學系統(tǒng)中所采用的常規(guī)多層膜,還是對于光譜儀器中采用的多層膜光柵來說,多層膜本身性能的不斷提升,以及根據(jù)應用的具體要求,對多層膜光學元件進行不斷的改進,都是使光學系統(tǒng)性能提升的根本推動力。目前,多層膜在極紫外波段的光學應用已從實驗室研究階段全面進入了以極紫外光刻與極紫外天文學為主的實用化階段。未來的極紫外光學期待著性能更加優(yōu)異、功能更加完善的新型多層膜光學元件。

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